Quark, gluon, dan antiquarks adalah komponen proton, neutron, dan (menurut definisi) hadron lainnya. Sifat fisik yang menakjubkan dari dunia kita adalah bahwa ketika salah satu dari partikel-partikel ini terlempar keluar dari hadron yang mengandungnya dan terbang dengan energi pergerakan yang tinggi, ia tetap tidak dapat diamati secara makroskopis. Sebaliknya, quark berenergi tinggi (baik gluon atau antiquark) berubah menjadi "semprotan" hadron (partikel yang terdiri dari quark, antiquark, dan gluon). Semprotan ini disebut "semprotan." Perhatikan bahwa ini berlaku untuk lima warna paling terang dari quark, tetapi tidak untuk quark atas yang membusuk menjadi partikel W dan quark yang lebih rendah sebelum jet dapat muncul.
Dalam artikel itu, saya akan menjelaskan bagaimana dan mengapa jet muncul dari quark berenergi tinggi, antiquark, dan gluon.
Perilaku quark ini, berbeda dari perilaku lepton bermuatan, neutrino, foton, dan lainnya, berasal dari fakta bahwa quark dan gluon tunduk pada interaksi nuklir yang kuat, sementara partikel lain tidak tunduk padanya. Sebagian besar interaksi antara dua partikel menjadi lebih lemah dengan meningkatnya jarak. Sebagai contoh, interaksi gravitasi antara dua planet jatuh terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka. Hal yang sama dilakukan untuk interaksi listrik antara dua benda bermuatan, juga jatuh sebagai kuadrat jarak. Anda sendiri dapat menggosok balon, mengisinya dengan listrik statis, dan kemudian membawanya ke kepala Anda. Jika Anda mendekatkannya, rambut Anda akan berdiri tegak, tetapi efek ini dengan cepat menghilang jika Anda menggerakkan bola lebih jauh.
Interaksi nuklir yang kuat, meskipun tumbuh dalam jarak pendek dan menurun dalam jarak jauh (walaupun tidak secepat listrik - sifat ini penting untuk memahami sejarah interaksi kuat), tetapi berhenti berkurang pada jarak urutan satu juta satu miliar meter - urutan jari-jari proton yang 100.000 kali lebih kecil dari jari-jari atom. Dan ini bukan kecelakaan - efek ini sebenarnya menentukan ukuran proton. Interaksi ini yang dihasilkan oleh bidang gluon menjadi konstan. Dan ini berarti bahwa jika Anda mencoba menarik quark keluar dari proton, seperti pada gambar. 1, Anda akan menemukan bahwa menyeretnya tidak menjadi lebih mudah, sementara Anda mendorongnya semakin jauh. Sensasinya kira-kira sebanding dengan peregangan karet gelang. Kecuali bahwa karet gelang ini akan sobek di beberapa titik. Setelah energi yang cukup terkumpul dalam rekaman itu, alam akan lebih memilih untuk merobeknya menjadi dua, daripada membiarkan Anda menariknya. Dan ketika rusak, alih-alih satu hadron (proton) Anda mendapatkan dua: proton atau neutron plus (biasanya) pion. Pada saat pemutusan pasangan quark / antiquark terbentuk dengan cara tertentu - energi dalam bentuk pita tegangan diubah menjadi energi massa quark dan antiquark, ditambah energi gerak tertentu dari beberapa gluon tambahan. Energi disimpan: Anda mulai dengan energi massa proton, menambahkan energi pada ketegangan proton, dan menerima energi massa dua hadron (tanpa peregangan apa pun). Muatan listrik juga dihemat, sehingga Anda mendapatkan pion netral dan proton, atau pion dan neutron bermuatan positif.
Fig. 1: jika Anda mencoba menarik quark keluar dari proton dengan bantuan penjepit ajaib, maka proton akan terdistorsi dan kemudian dibagi menjadi dua hadron. Upaya Anda untuk membebaskan quark akan gagal, dan energi yang dihabiskan akan berubah menjadi energi massa hadron kedua.Apa yang terjadi ketika quark berenergi tinggi dihancurkan dari proton? Sebagai contoh, sebuah elektron yang bergerak cepat menabrak proton, mengenai quark dengan keras, memberinya lebih banyak energi daripada energi massa seluruh proton?
Secara kasar - Saya akan memberi tahu para ahli bahwa bagian dari pernyataan ini akan naif dan sedikit mengganggu dari esensi, tetapi kemudian saya akan memperbaikinya - hal yang sama terjadi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, tetapi dalam skala yang lebih besar. Kuark bergerak sangat cepat sehingga karet gelang yang muncul tidak punya waktu untuk robek dan membentang terlalu banyak - lihat bagian tengah Gambar. 2. Alhasil, alih-alih memecah di satu tempat dan membentuk dua hadron, ia pecah di banyak tempat dan membentuk banyak hadron (kebanyakan peony dan kaon (mirip dengan peony, tetapi mengandung quark atau antiquark yang aneh) dan eta meson, atau, lebih jarang, proton, neutron, antiproton atau antineutron). Semuanya akan berjalan kurang lebih dalam satu arah. Akibatnya, kita akan memiliki semprotan hadron, yang sebagian besar akan terbang ke arah kuark asli. Itu dia.
Fig. 2Energi awal quark berenergi tinggi sekarang dibagi antara hadron di dalam jet. Tetapi untuk quark dengan energi yang cukup tinggi (10 GeV atau lebih), sebagian kecil energi terlibat dalam pembentukan energi massa hadron baru; sebagian besar masuk ke energi gerakan mereka. Akibatnya, energi total dan arah jet mirip dengan energi awal dan arah quark. Dengan mengukur energi dan arah gerak semua hadron jet, dan menentukan energi dan arah gerak jet secara keseluruhan, fisikawan partikel mendapatkan estimasi energi dan arah gerak yang baik dari quark awal.
Hal yang sama berlaku untuk barang antik, dan, dengan sedikit modifikasi, untuk lem berenergi tinggi.
Saya ingin mencatat bahwa tidak ada yang bisa menghitung bagaimana proses ini terjadi secara rinci. Kami tahu apa yang saya katakan kepada Anda, sebagai hasil dari kombinasi dekade perhitungan teoretis, wawasan teoretis dan data - data terperinci dari berbagai sumber - yang umumnya menunjukkan bahwa kisah ini tentang apa adanya. Dan kami memiliki alasan untuk percaya diri. Banyak dari tes kami yang sangat akurat tentang teori interaksi nuklir kuat kalau tidak akan gagal.
Catatan: objek mirip-gusi ini disebut fisika energi tinggi oleh string QCD (QCD, atau
quantum chromodynamics - ini adalah persamaan yang menggambarkan interaksi nuklir kuat). Secara historis, mencoba memahami perilaku hadron di alam yang kita amati (sebelum fisikawan muncul dengan QCD dan menemukan gluon, dan ketika quark tidak dipahami dengan baik), para teoretikus muncul dengan teori string pada akhir 1960-an. Baru kemudian menjadi jelas bahwa string dalam teori string awal ini adalah hal yang nyata, bagian dari fisika. Dan bahkan kemudian menjadi jelas bahwa string QCD tidak dapat dijelaskan secara memadai menggunakan teori string standar. Untuk sementara, ini dianggap gagal sampai Scherk dan Schwartz menunjukkan bahwa teori string mungkin lebih cocok untuk menggambarkan gravitasi kuantum (dan mungkin semua partikel fundamental). Dan ahli teori string berangkat ke arah yang berbeda. Dan baru-baru ini menjadi jelas bagaimana sesuatu yang tidak terduga dapat dilakukan dengan menggunakan teori string standar sehingga lebih baik (tidak sempurna, tetapi jauh lebih baik) menggambarkan string QCD. Sayangnya, dia masih menjijikkan menggambarkan jet itu.
Jelas, masih banyak yang bisa dikatakan tentang interaksi nuklir yang kuat.
Fig. 3Sekarang izinkan saya memperbaiki ketidakakuratan yang diizinkan pada Gambar. 2. Saya telah menghilangkan tahapan kunci. Kuark yang terkena dampak, seperti partikel yang dipercepat, akan memancarkan. Tiba-tiba elektron yang dipercepat akan memancarkan foton; tiba-tiba quark yang dipercepat akan memancarkan gluon (dan foton juga, tetapi mereka jauh lebih kecil). Ini ditunjukkan di kanan atas dalam gambar. 3. Oleh karena itu, pada kenyataannya, bukan quark cepat (Gbr. 3, di kiri tengah) muncul di tepi proton, tetapi satu set gluon cepat plus quark cepat. Akibatnya, proses pembentukan jet hadron (Gambar 3, bawah) lebih rumit daripada di Gambar. 2, meskipun hasilnya kurang lebih sama. Tetapi bentuk jet sebenarnya ditentukan oleh bagaimana gluon dipancarkan sebelum quark meninggalkan proton. Proses emisi gluon oleh quark dapat dihitung! Oleh karena itu, dengan menggunakan persamaan untuk interaksi nuklir yang kuat, orang dapat menghitung lebih banyak sifat jet daripada yang terlihat berdasarkan beras naif. 2. Perhitungan ini diverifikasi oleh data, sebagai akibatnya persamaan untuk menggambarkan interaksi nuklir yang kuat diperiksa.